氫燃料電池汽車熱管理性能測試方法探討

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）08-0050-03

【Abstract】With the establishmentofthefuel cellvehicledemonstrationapplication citygroup，theexplorationof the development pathoffuelcellvehiclesona largescaleefectivelypromotedtheapplicationoffuelcellvehicles in the terminalmarket，andfuelcellbuses，fuelcell trucks，fuelcellrefrigeratedtrucksandothercommercialvehicleshave emerged.The evaluationofthermal management performance offuelcell vehicles is increasingly urgent.Bydecomposing thethermal managementarchitectureof the whole vehicle，establishingamulti-dimensional testcondition，andcombining withthebenchtestoftheenvironmentaltemperaturecontroldrum，atestmethodforthermalmanagementoffuelcel commercial vehiclesis formed.

【Keywords】 hydrogen fuel cell; thermal management; fuelcell vehicle； hydrogen-electric couplin

0 引言

2020年9月，財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部和國家能源局五部委聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》。2024年氫能首次進(jìn)入國家能源法，被定位為新質(zhì)生產(chǎn)力，作為“前沿新興產(chǎn)業(yè)\"被寫入政府工作報(bào)告。隨著各地氫能政策密集出臺(tái)和各示范城市群對燃料電池汽車的示范推廣，中國氫燃料電池汽車的發(fā)展勢頭將愈發(fā)強(qiáng)勁，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支撐。

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)公布的燃料電池汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)，2024年全國燃料電池汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)分別為5548輛和5405輛。隨著燃料電池價(jià)格下降至1500元W左右，氫氣成本穩(wěn)中有降，加氫站逐步普及以及30MPa長管拖車運(yùn)氫已經(jīng)開始進(jìn)人市場，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)條件基本形成。綜合全國分車型銷量，其應(yīng)用場景主要覆蓋中長距離貨物運(yùn)輸，及鋼廠、碼頭等封閉場景的鋼鐵和煤炭運(yùn)輸。氫燃料電池汽車使用氫氣為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，相比傳統(tǒng)能源車輛，具有零排放、低噪聲、高能效、長續(xù)航等特點(diǎn)。氫燃料電池發(fā)展趨勢呈現(xiàn)大功率、高動(dòng)力和超長續(xù)航，平均氫燃料電池功率從2020年的88kW迅速躍升至2024年的131kW，整車功率顯著增強(qiáng)了動(dòng)力性能和續(xù)航能力。

從整車角度出發(fā)，熱管理系統(tǒng)需采用綜合手段控制和優(yōu)化熱量傳遞，保持各部件始終工作在最佳溫度范圍，以確保各種系統(tǒng)和整車的安全性、性能和壽命。隨著大功率燃料電池的快速應(yīng)用以及車輛使用場景的不斷更新，車輛由于系統(tǒng)高溫帶來的功率損失、能耗乃至動(dòng)力性喪失的安全風(fēng)險(xiǎn)逐漸呈現(xiàn)，有必要通過嚴(yán)苛的試驗(yàn)方法覆蓋全工況應(yīng)用場景，杜絕風(fēng)險(xiǎn)。

1 國標(biāo)行標(biāo)現(xiàn)狀

《GB/T39132—2020燃料電池電動(dòng)汽車定型試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定了燃料電池電動(dòng)汽車新產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)的實(shí)施條件、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法、判定依據(jù)、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進(jìn)行強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)定檢驗(yàn)、整車性能試驗(yàn)和整車可靠性行駛試驗(yàn)三部分試驗(yàn)。

該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，確保氫燃料電池電動(dòng)汽車的安全指標(biāo)、性能指標(biāo)、可靠性指標(biāo)嚴(yán)格受控。由于標(biāo)準(zhǔn)并不能完全涵蓋特殊工況，車輛仍然面臨電堆系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)在極限工況下存在熱超溫現(xiàn)象，比如在極限滿載連續(xù)爬坡工況下，會(huì)出現(xiàn)燃料電池水溫超高導(dǎo)致功率降低和電驅(qū)系統(tǒng)冷卻超溫進(jìn)而驅(qū)動(dòng)功率下降的問題。

目前國內(nèi)沒有專門針對氫燃料電池汽車熱管理相關(guān)的強(qiáng)制或推薦性標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)企業(yè)參考《GB/T12542—2020汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》進(jìn)行熱平衡道路試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于裝配液冷式發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車熱平衡能力試驗(yàn)，并不能完全涵蓋氫燃料電池電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況。

2熱管理系統(tǒng)測評(píng)性能指標(biāo)

氫燃料電池電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)測評(píng)與整車電壓溫度傳感器VTS的動(dòng)力性能指標(biāo)密切相關(guān)，各系統(tǒng)熱管理的能力必須滿足最高車速、最大爬坡度、急加速能力等指標(biāo)。不同指標(biāo)帶來各系統(tǒng)不同的做功策略，產(chǎn)生不同的散熱需求。表1羅列了與燃料電池汽車熱管理相關(guān)的主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)。

表1燃料電池汽車熱管理相關(guān)的動(dòng)力性能指標(biāo)

與新能源電動(dòng)汽車比較而言，氫能燃料電池電動(dòng)牽引車物理架構(gòu)增加了燃料電池系統(tǒng)的散熱需求。由于燃料電池自身特性無法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體散熱、尾氣排放散熱，加上燃料電池的工作溫度相對較低，都對燃料電池的熱管理策略提出了更高的要求。基于以上因素，目前氫燃料電池電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)劃分為：燃料電池冷卻系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)、電池冷卻系統(tǒng)、座艙舒適性調(diào)節(jié)系統(tǒng)。氫能牽引車輛熱管理散熱和冷卻功能中，燃料電池冷卻系統(tǒng)相對單一。電機(jī)冷卻系統(tǒng)承擔(dān)眾多的控制器冷卻、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電堆附件的冷卻功能，具體表現(xiàn)在不同的部件通過管路的串并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)冷卻。電池冷卻系統(tǒng)主要由單獨(dú)的冷卻模塊或者冷媒Chiller交換散熱模塊構(gòu)成，座艙降溫依賴空調(diào)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示。

3 測試工況

圖1典型氫燃料電池?zé)峁芾砑軜?gòu)

燃料電池與動(dòng)力電池功率分配策略差異引發(fā)整車能量流控制策略差異，不同技術(shù)路線在不同運(yùn)行工況下，隨著燃電系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出功率差異，散熱需求也會(huì)有顯著的差異。

從圖2和圖3技術(shù)路線對比中，可看出燃料電池的動(dòng)態(tài)輸出差異，引發(fā)動(dòng)力電池的SOC變化差異，過程中要求燃料電池冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨，滿足系統(tǒng)的散熱需求。

目前市場上牽引汽車燃料電池與動(dòng)力電池的能量管理策略技術(shù)路線多種多樣，存在部分配置無法滿足中國工況WHTC-TT循環(huán)的急加速動(dòng)力輸出的問題。除去動(dòng)力控制策略因素外，也存在為保證系統(tǒng)安全而采用降功率的技術(shù)方案。

3.1氫燃料電池電動(dòng)牽引汽車能量管理策略 3.2 測試工況以及測試方法

通過優(yōu)化燃料電池與儲(chǔ)能設(shè)備（動(dòng)力電池）之間的能量分配，基于車輛不同使用工況，在不同功率需求下保證整車動(dòng)力性，提升整體效率和耐久性。

3.2.1 高速工況

1）環(huán)境溫度 43^°C ，試驗(yàn)過程中保持乘員艙空調(diào)開啟最大制冷模式。

圖3開關(guān)模式

2）以最高車速（最大油門）帶載運(yùn)行至電堆啟動(dòng)水溫平衡后（ 10min 電堆和動(dòng)力水溫波動(dòng)小于 1% ），停止試驗(yàn)。

3） 30min 內(nèi)水溫未達(dá)到平衡或出現(xiàn)超溫、其他燃料電池系統(tǒng)停機(jī)等現(xiàn)象，試驗(yàn)失敗。

3.2.2 最大爬坡度工況

1）環(huán)境溫度 43% ，試驗(yàn)過程中保持乘員艙空調(diào)開啟最大制冷模式。

2）確認(rèn)VTS制定的最大爬坡度及對應(yīng)車速。轉(zhuǎn)轂設(shè)定 4% 坡度，車速穩(wěn)定后，逐步增加梯度到最大爬坡度。最大爬坡度車速穩(wěn)定后，穩(wěn)定運(yùn)行至車速顯著下降幅值為 2km/h ，停止試驗(yàn)。

3.2.3 低速持續(xù)爬坡工況

1）環(huán)境溫度 43^°C ，試驗(yàn)過程中保持乘員艙空調(diào)開啟最大制冷模式。2）在 12% 坡度下，以能達(dá)到的最高穩(wěn)定車速繼續(xù)運(yùn)行 30min 或水溫平衡。3）若 30min 內(nèi)水溫未達(dá)到平衡或出現(xiàn)超溫、其他燃料電池系統(tǒng)停機(jī)等現(xiàn)象，試驗(yàn)失敗。

3.2.4 高速持續(xù)爬坡工況

1）環(huán)境溫度 43^°C ，試驗(yàn)過程中保持乘員艙空調(diào)開

啟最大制冷模式。2）在 4% 坡度下，以能達(dá)到的最高穩(wěn)定車速繼續(xù)

運(yùn)行 30min 或水溫平衡。3）若 30min 內(nèi)未達(dá)到平衡或出現(xiàn)超溫、其他燃料

電池系統(tǒng)停機(jī)等現(xiàn)象，試驗(yàn)失敗。

3.2.5 急加速工況

1）環(huán)境溫度 43^°C ，試驗(yàn)過程中保持乘員艙空調(diào)開啟最大制冷模式。2）車輛加速到 30km/h 后，保持車速運(yùn)行 5min 。3）車輛最大油門到最高車速后，保持車速運(yùn)行5min 。

3.2.6 靜態(tài)充電工況

1）環(huán)境溫度 43^°C ，試驗(yàn)過程中保持乘員艙空調(diào)開啟最大制冷模式。2）車輛靜止?fàn)顟B(tài)（起始 50C?25% 或廠家自定義SOC），以燃料電池模式怠速充電至 90% SOC（取決于車輛SOC充電策略）。3）水溫平衡后（ 10min 電堆和動(dòng)力電池水溫波動(dòng)小于 1^°C ），停止試驗(yàn)。4） 30min 內(nèi)水溫未達(dá)到平衡或出現(xiàn)超溫、其他燃料電池系統(tǒng)停機(jī)等現(xiàn)象，試驗(yàn)失敗。

3.3轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架測試結(jié)果分析

以某型號(hào)牽引車在高速爬坡工況測試數(shù)據(jù)為例。從圖4可以明顯看出電池、電機(jī)冷卻系統(tǒng)均能夠在許用溫度范圍工作，而燃料電池電堆出水溫度隨著大功率輸出快速升高，冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不滿足快速降低電堆溫度的需求，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率降低策略，影響動(dòng)力。

圖4典型工況系列溫度

4總結(jié)

以上工況的試驗(yàn)檢測，基本涵蓋了牽引車日常運(yùn)行的路況和工況，能夠暴露出電堆系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)在極限工況下散熱能力存在的缺陷。通過在試驗(yàn)過程中監(jiān)測各系統(tǒng)的水溫、壓力、流量、風(fēng)速等指標(biāo)，可以直觀地找到各系統(tǒng)的改善空間和改進(jìn)方案，避免客戶使用環(huán)境中的相關(guān)問題。

（編輯楊凱麟）